ANALISA KINERJA MODULASI GAUSSIAN MINIMUM SHIFT KEYING BERBASIS PERNGKAT LUNAK Khairun Nizam Mahasiswa Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus Sukolilo 60111 Surabaya 2010 Email :
[email protected]
Abstrak - Pada sistem komunikasi wireless efisiensi bandwidth pada spectrum frekuensi radio (RF) yang terbatas, merupakan salah satu tuntutan yang cukup penting. Dalam upaya memenuhi tuntutan tersebut, maka diterapkan metode pemfilteran sinyal data digital, sebelum dilakukan proses modulasi. GMSK atau Gaussian Minimum Shift Keying adalah pengembangan dari MSK, yaitu teknik menghilangkan spectrum sidelobe dengan dengan cara melewatkan sinyal NRZ ke filter LPF Gaussian. Pada proyek akhir ini, dianalisa bagaimana kinerja dari sebuah modulator GMSK melalui simulasi yang dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak CppSim dan pengamatan terhadap output sinyal. Kata kunci: Modulasi GMSK, Frekuensi Carier, Filter LPF Gaussian. 1. Pendahuluan Modulasi digital untuk saat ini sudah menjadi bagian yang sangat penting dalam sistem komunikasi wireless, dan teknik yang digunakannya juga semakin berkembang. Teknik modulasi digital PSK (Phase Shift keying) yang memiliki kelemahan dalam hal kontinuitas sinyalnya, mengalami perbaikan dengan munculnya teknik modulasi MSK (Minimum Shift Keying). Teknik ini memperhalus saat terjadi pergantian phase, sehingga pada saat pergantian frekuensi mark dan rest-nya sinyal akan tetap kontinyu. Namun, kelemahan MSK adalah kurangnya efisiensi bandwidth yang dihasilkan, karena masih menghasilkan lobus samping pada spektrum sinyalnya. GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) adalah salah satu teknik modulasi yang melewatkan sinyal informasi pada Gaussian Low-Pass Filter sebelum proses modulasi sinyal menggunakan modulator MSK (Frequency
shift Keying), filter LPF ini berguna untuk mengurangi atau menghilangkan uppersidelobe pada spectrum sinyalnya. Sinyal hasil dari filter akan memiliki bentuk lebih tajam, mengubah sinyal NRZ yang tidak kontinu menjadi sinyal kontinu tanpa adanya lobus-lobus samping. Keunggulan lainnya adalah amplitude sinyal modulasi ini konstan sehingga bentuk selubung dari spectral sinyal ini akan tetap. Namun, filter premodulasi Gaussian dapat menimbulkan ISI (Intersymbol Interference) pada sinyal yang ditransmisikan. Sebagai akibat dari peningkatan efisiensi bandwidth akan ada degradasi dalam efisiensi daya. 2. Teori Penunjang 2.1 Teknik Modulasi Modulasi dapat didefinisikan sebagai proses penyesuaian sinyal informasi yang akan dikirimkan agar sesuai dengan karakteristik saluran transmisi tertentu dengan memperhatikan tujuan dan efisiensi pengiriman sinyal tersebut. Efisiensi yang dimaksud mencakup dimensi fisik, absorbsi daya, pemakaian bidang frekuensi, ketahanan terhadap gangguan dari luar. Umumnya modulasi melibatkan penerjemahan baseband sinyal pesan yang dilewatkan dalam bandpass sinyal yang memiliki frekuensi jauh lebih tinggi dari sinyal informasi. Bandpass sinyal tersebut yang disebut dengan sinyal termodulasi dan baseband sinyal yang disebut dengan sinyal pemodulasi. Modulasi dapat dilakukan dengan memodulasi amplitude, fase, atau frekuensi. 2.2 MSK MSK adalah salah satu teknik modulasi yang merupakan tipe CPFSK
(Continuous Phase Shift Keying), di mana deviasi frekuensi puncaknya sama dengan ½ bit rate. Dengan kata lain MSK adalah CPFSK dengan indeks modulasi sama dengan 0.5. Indeks modulasi FSK didapat dari :
dimana,
fm − fs f − fs 2 MI = = m fb fb 2
fm-fs = deviasi puncak frekuensi fb = bit rate. Dengan begitu frekuensi mark dan space dipilih seolah dijauhkan dari frekuensi center, menggunakan pengali pada setengah bit ratenya: (fm & fs)=n(fb/2) Disini akan menjamin pergantian phase yang sempurna pada sinyal output bila frekuensi bergeser dari frekuensi mark dan space atau sebaliknya.
utama spektral teknik modulasi QPSK, dengan sidelobe yang lebih rendah. Namun sayangnya untuk keperluan komunikasi bergerak, MSK kurang efisien karena spektrum frekuensi masih memiliki lobus-lobus samping (sidelobe). 2.3 GMSK Untuk memperbaiki MSK, maka dapat digunakan premodulation filter. Sinyal NRZ (Non-Return to Zero) dilewatkan melalui suatu filter sebelum dimodulasi. Filter tersebut berfungsi sebagai shaping filter, untuk membentuk sinyal NRZ yang tidak kontinu menjadi sinyal kontinu. Filter pramodulasi Gaussian dapat menimbulkan ISI (Intersymbol Interference) pada sinyal yang ditransmisikan. Sebagai akibat dari peningkatan efisiensi bandwidth akan ada degradasi dalam efisiensi daya. Namun hal ini tidak perlu dirisaukan jika produk durasi 3 dB-bandwidth-bit (BT) dari filter lebih besar dari 0.5 (BT tidak terlalu kecil). 2.4 Pola Mata
Gambar 1: Sinyal MSK
Spesifikasi sinyal digital dapat dilihat oleh layar oscilloscope, yang memiliki pola menyerupai pola mata (eye pattern) manusia. Pola ini terbentuk akibat terjadi ulasan berkalikali terhadap data digital, dengan laju bit yang tinggi. Dengan eye pattern, tampilan bit per bit tidak dapat terlihat, namun spesifikasi atau parameter suatu sinyal digital dapat diketahui.
Karakteristik dan kelebihan MSK adalah sebagai berikut: 1. Selubung konstan. 2. Cocok untuk penguatan daya efisien tak linier 3. Kemampuan deteksi koheren dan non koheren 4. Kemampuan untuk dapat melakukan self-synchronizing 5. Performa BER yang bagus 6. Efisiensi spektral, dimana lobus utama spektralnya 50% lebih lebar dari lobus
Gambar 2: Pola mata
Range jarak amplitude yang disimbolkan oleh D A merupakan ukuran besarnya distorsi yang disebabkan oleh ISI, perbedaan waktu yang memotong sumbu nol yang disimbolkan J T merupakan ukuran besarnya Jitter. Ukuran besarnya noise margin disimbolkan oleh M N dan sensitivitas waktu error disimbolkan oleh S T seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2 Sehingga jika mata tertutup, maka ISI meningkat dan jika mata terbuka, maka ISI menurun. 3. Pengujian Sistem 3.1 Analisa Pengubahan Nilai BT Untuk proses analisa, diperlukan perubahan terhadap nilai bit periode (BT) dari modul Gaussian_transmit_filter. Proses ini, dilakukan pada aplikasi Sue2, dengan cara klik dua kali modul dan ubah nilai BT. Pada Tugas akhir ini akan dibandingkan, perbedaan yang terjadi antara nilai BT=0.5 dan BT=0.3.
Gambar 4: Sinyal Clock 100 MHz 2. Sinyal Data Input dan filter Gaussian Pengamatan dilakukan pada titik dg_out dan filt_out pada domain waktu dengan input yang sama dan nilai BT yang berbeda (0.3 dan 0.5), terlihat perbedaan yang menunjukkan pulse shapping yang terjadi. Dimana nilai BT=0.3 memiliki pulse shapping yang lebih tajam.
Gambar 5: Sinyal input dan sinyal output filter (BT d =0.3)
Gambar 3.: Pengubahan nilai BT •
Pengamatan Output Sinyal Berikut ini beberapa output sinyal yang ditampilkan pada modul gmsk_iq_generator_clk yang dihasilkan menggunakan aplikasi CppSim View:
1. Input Clock (Frek Referensi) Sinyal ini dibangkitkan oleh blok signal source. Dari hasil plotting sinyal terhadap node clk dapat diketahui bahwa sinyal memiliki periode 0.01 ms atau 10-8 s. Sehingga sesuai dengan parameter yang diberikan yaitu 100 MHz.
Gambar 6: Sinyal input dan sinyal output filter (BT d =0.5) 3. Sinyal Output Accumulator (Domain Waktu) Pada blok accumulator akan menghasilkan output termodulasi fase, dihasilkan oleh node acc_out. Bentuk kurva dari transisi fase tersebut akan lebih halus untuk nilai BT d yang lebih kecil.
View dan pilih fungsi eyesig(…). Set period pada 2/0.5e6 dan start_off pada 5e-6, lalu kembali pada nodes. Hasil plotting sinyalnya akan seperti berikut:
Gambar 7: Sinyal GMSK fase transisi (BT d =0.3)
Gambar 10: Pola Mata dari sinyal I dan Q (BT d =0.3)
Gambar 8: Sinyal GMSK fase transisi (BT d =0.5) 4. Sinyal I/Q (Domain Waktu) Sinyal ini dihasilkan dari blok gmsk_iq_generator yang mana menghasilkan sinyal dasar I dan Q.
Gambar 11: Pola Mata dari sinyal I dan Q (BT d =0.5) Dari output sinyal yang didapat maka diperoleh beberapa parameter sinyal sebagai berikut: Parameter Gambar 9: Sinyal I dan Q GMSK (BT d =0.3 CppSim)
Distorsi Jitter Noise Margin Sensitivityto-timing error
Gambar 10: Sinyal I dan Q GMSK (BT d =0.5 - CppSim) 5. Pola Mata Sinyal I/Q Pola Untuk menampilkan pola mata, klik plotsig(…) radio button pada CppSim
BT=0.3
BT=0.5
0.1
0.15
0
0
0.9
0.85
1 ms
1 ms
Tabel 1: Parameter sinyal dari Pola mata
Dari hasil simulasi dapat dianalisa bahwa nilai BT d yang semakin kecil, akan
menyebabkan meningkatkannya nilai ISI (Inter Symbol Interference). Hal ini dapat dilihat dari perbedaan jarak amplitudo yang besar, yang menunjukkan besarnya nilai distorsi dan noise margin yang terjadi. Sehingga nilai BT d yang besar, akan lebih mudah pada saat proses carier recovery di demodulator. 6. Plot Output Untuk Plotting sinyal output kita harus kembali ke modul gmsk_pll_transmitter dengan menekan ctrl+e dan jalankan modul seperti langkah sebelumnya untuk mendapatkan plotting sinyal output GMSK, pilih node iout lalu dengan bantuan zoom akan didapat tampilan sebagai berikut:
Gambar 11: Spektrum dari output GMSK (BT d = 0.3 & BT d = 0.5) Dari hasil perbandingan output dapat diketahui bahwa nilai BT d =0.3 memiliki efisiensi bandwidth yang lebih baik daripada BT d =0.5. 3.2 Analisa Blok Diagram Teori dan Simulasi
Gambar 12: Penjumlahan sinyal I dan Q (CppSim) Untuk output pada domain frekuensi, klik Edit Sim File ubah nilai num_sim_step menjadi 50e6 dan pada CppSimView dilakukan langkah berikut: • Pilih test.tr0 radio button dan pilih output file ke test_spectrum.tr0. • Pilih eyesig(…) radio button dan ubah menjadi plot_pll_mod_spectrum(…). • Set fspan parameter pada 5e6, kembali pada nodes dan double-klik pada xi1_vin_filt. Langkah diatas dilakukan untuk nilai BT=0.3 dan BT=0.5 hasilnya akan seperti berikut:
Pada tugas akhir ini diberikan bentuk rancangan transmitter GMSK dan PLL seperti berikut:
Gambar 12: Transmitter GMSK dan PLL Pada perangkat lunak CppSim diimplementasikan oleh modul gmsk_pll_transmitter sebagai berikut:
Gambar 13: Transmitter GMSK dan PLL (CppSim)
Gambar 16: Blok penerima sinyal GMSK Maka implementasinya pada modul gmsk_iq_receiver sebagai berikut:
Pada Blok digital I/Q generator, tersusun blok sebagai berikut:
Gambar 17: Blok penerima sinyal GMSK (CppSim) 4. Kesimpulan
Gambar 14: Blok Digital I/Q generator
Pada perangkat lunak CppSim diimplementasikan oleh modul gmsk_dig_iq_generator sebagai berikut:
Gambar 15: Blok Digital I/Q generator (CppSim) Sedangkan blok penerima yang memiliki rancangan sebagai berikut:
Dari analisa dan pengamatan terhadap output sinyal hasil simulasi yang telah dilakukan dalam Tugas Akhir ini yaitu menilai kinerja modulasi GMSK berbasis perngkat lunak dapat diambil keseimpulan bahwa: 1. Pengubahan nilai BT yang kecil menyebabkan beberapa gejala diantaranya meningkatnya ISI, meningkatnya efisiensi bandwidth dan penghalusan bentuk sinyal. 2. Penggunaan BT yang lebih kecil dari 0.3 tidak disarankan karena menimbulkan ISI. 3. Modulasi GMSK dengan menggunakan metode quadrature baseband method yang menghasilkan sinyal I dan Q. 4. CppSim merupakan perangkat lunak yang dapat membantu dalam proses analisa output suatu sinyal.
5. Daftar pustaka [1] Michael H Perrot, 2008: “Behavioral Simulation of a Basic GMSK Tranceiver using the CppSim Program.” http://www.CppSim.com. [2] Haykin, S. 2001: “Communication Systems”. 4th edition. New York, NY. John Wiley & Sons. [3] Bernard Sklar, 2001: “Digital Communication Fundamentals and Aplications.” 2nd edition. Los Angles, University of California. [4] Dr. Torlak, “Linear vs. Constant Envelope Modulation Schemes in Wireless Communication Systems”.
